프라운호퍼 IFF, 이동식 어시스턴트 로봇의 신기술

어시스턴트 로봇은 제조 현장이나 물류를 더욱 유연하고 효과적인 프로세스로 재편하고 최적화하는데 포기할 수 없는 미래 기술이다. 특히 이동식 어시스턴트 로봇에 대한 요구 사항이 많아지고 있다.

노베르트 엘크만 박사(Norbert Elkmann): 프라운호퍼 공장 가동 및 자동화 (IFF) 로봇 시스템 사업 분야 책임자, 공학박사 / 크리스토프 발터(Christoph Walter), 호세 산츠 (José Saenz), 크리스티안 포겔(Christian Vogel): 프라운호퍼 IFF 연구원

독일의 제조 산업은 최근 커다란 도전 과제에 직면해 있다. 독일이 기계 엔지니어링이나 자동차 제조 분야에서 세계 선두 자리를 유지하기 위해서는 인구통계학적 변화와 경제성 개선 등 도전 과제를 높은 유연성과 효율성으로 대처해 나가야 한다. 어시스턴트 로보틱스와 인간과 로봇의 협업에 이러한 도전 과제를 극복하고 앞서 언급한 목표를 달성하기 위한 실질적인 접근법이 필요하다. 정밀성, 높은 핸들링, 연속적인 사용 가능성 등 자동화 기술과 로봇 기술을 인간의 운동 능력, 감각 능력, 지각 능력, 인지 능력 등과 조합하여 미래의 생산 시스템 및 조립 시스템 그리고 물류 분야를 위한 엄청난 개선 잠재력이 생긴다. 고정된 로봇을 이용하는 어시스턴트 로보틱스는 이미 제조 현장에 들어와 있다. 로보틱스와 센서 장치의 새로운 기술 개발 덕분에 최초의 응용 사례들이 가능했다. 또한 관련 규정들을 수정하고 인간/로봇 협업을 이용한 응용 사례를 실현하기 위한 한계 조건들을 구체화하였다. 또한 생산 현장에서 이용되며 복잡하고 다양한 활동을 담당하거나 인간을 지원하는 이동식 자율 어시스턴트 로봇에 대한 수요도 늘어나고 있다. 이동식 어시스턴트 로봇을 산업 환경에서 사용하기 위해서는, 믿을만한 방향 전환, 다양한 환경 조건과 조명 조건에서 주변 인식, 사물 인식, 높은 신뢰도의 작업 계획 및 실행 등 고정식 로봇보다 훨씬 더 많은 도전 과제들을 해결해야 한다. 동시에 시스템의 자율성에 대해 필요한 요건을 충족하고 다양한 응용 사례에 대해 시스템을 경제적으로 사용할 수 있기 위해서는 어시스턴트 로봇의 인지 기능을 포기할 수 없다. 이동식 어시스턴트 로봇의 사용 분야는 사내 물류, 픽업 및 운반 서비스, 기계에 자재 장착, 조립 및 시험 작업 등을 포함한다. 인간/로봇의 직관적 상호 작용과 안전한 인간/로봇 협업과 관련해서도 이동식 어시스턴트 로봇에서 새로운 기술적 해법을 찾고 실현해야 한다.

프라운호퍼 IFF는 수년 전부터 스마트 로보틱스, 안전한 인간/로봇 협업 그리고 이동식 어시스턴트 로보틱스 분야를 연구하고 있으며, 이 연구에서 통일적인 사용법을 추구하였다. 이 과정에서 가까운 미래에 산업 현장에 투입할 수 있는 새로운 기술들이 형성된다. 이하의 본문에서는 프라운호퍼 IFF에서 이루어지고 있는 이동식 어시스턴트 로보틱스와 안전한 인간/로봇 협업을 위한 최신 프로젝트 및 개발 현황을 소개하고자 한다.

미래의 스마트한 어시스턴트 로봇, 애니

이동식 어시스턴트 로봇인 애니는 프라운호퍼 IFF가 개발하였으며, 범용 액추에이터, 뛰어난 성능의 센서 장치 그리고 개발 툴이 통합된 스마트한 소프트웨어 환경을 하나로 조합하였다.

다양한 산업의 응용 사례에 맞는, 기술적으로 고도로 복잡한 이동식 어시스턴트 로봇을 구현하는 것은 대단히 어려운 도전과제이다. 특히, 방향 전환, 대상 인식, 경로 계획 등 어시스턴트 로봇의 수많은 기본 능력을 신뢰할 만하게 제공하는 똑똑한 소프트웨어 시스템이 필요하다. 이러한 기본 능력은 오늘날 로봇 프로그래밍의 전형적인 기본 기능과는 근본적으로 다르다. 자율 기능은 센서 데이터를 바탕으로 자동 플래닝 방법을 이용하여 상황에 따라 로봇 모션을 각각 적응시켜야 한다. 프라운호퍼 IFF는 이러한 연구 과제를 포괄적으로 다루기 위해 어시스턴트 로봇 ‘애니’를 개발하였다. 프라운호퍼 IFF는 최신 기술 수준의 효율적인 어시스턴트 로봇 플랫폼에서 범용 액추에이터와 뛰어난 성능의 센서 장치 그리고 개발 툴이 통합된 스마트한 소프트웨어 환경을 하나로 조합하였다. 애니를 개발할 때에 EU 또는 BMBF(독일연방 교육연구부)가 후원하는 연구 프로젝트의 광대한 개발 기술들이 녹아 들어갔다. 현재 진행중인 EU 연구 프로젝트인 „Colrobot“에서 프라운호퍼 IFF는 이동식 어시스턴트 로봇이 작업실을 감시하기 위한 새로운 기술을 연구하고 있다. BMBF가 후원하는 프로젝트 „Isabel“에서 프라운호퍼 IFF는 취급해야 할 대상을 효율적으로 인식하고 위치를 확인할 수 있기 위해 핵심 기술 분야인 센서 장치와 직관에서 새로운 접근방법을 연구하였다. 이 목적을 위해 특수한 라이트 필드 카메라와 다양한 환경 조건에서도 믿을 만하게 사용할 수 있는 스마트한 알고리즘을 개발하였다. 현재 프라운호퍼 IFF의 목적은 미래 지향적인 어시스턴트 로봇 애니를 이용하여 사내 물류와 조립/시험 프로세스의 다양한 시나리오를 구현하고 산업 현장에 적용하는 것이다.

어시스턴트 로봇, 발레리(Valeri) 항공 산업 분야의 이동식 로봇

발레리에 탑재된 광학식 작업 공간 모니터링 시스템은 검사 도구 근처의 사물을 감지하고 충돌이 임박한 경우 실시간으로 로봇을 정지시킨다.

EU가 지원하는 연구 프로젝트 발레리의 범위에서 프라운호퍼 IFF와 공조하여 또 다른 이동식 어시스턴트 로봇이 개발되었다. 발레리 프로젝트에서는 항공기 동체에 씰링제를 도포하거나, 스페인 세비야에 있는 에어버스 DS 공장에서 구성품을 점검할 때 이동식 어시스턴트 로봇을 산업 환경에서 효율적이고 신뢰감 있게 사용할 수 있다는 점을 시연하였다. 이때 인간과 로봇은 바로 옆에서 작업하고, 같은 부품으로 작업하기도 한다. 프로젝트 파트너인 KUKA는 회전 가능한 수직 방향 리니어 축으로 „Omni-Rob“ 로봇을 보완하여, 어시스턴트 로봇 발레리가 12개의 자유도와 인간과 유사한 작업 공간을 갖게 하였다. 프라운호퍼 IFF는 안전한 인간/로봇 협업을 보장하기 위해 촉각 센서와 카메라에 기반한 작업 공간 모니터링 시스템을 개발하였다. 앞서 연구가들은 경우에 따라 부딪힐 수 있는 신체 부위에 대해 생체 역학적 충격 한계를 넘지 않기 위해 로봇에게 허용되는 최대 속도를 산출하였다. 이러한 절차는 그와 같은 검증을 거쳐야만 협업 로봇을 ISO/TS 15066에 따른 안전 모드인 힘과 성능 한계에서 사용할 수 있기 때문에 중요하다. 또한 촉각 센서는 로봇과의 촉각적 상호 작용에 사용할 수도 있다. 조작자가 로봇과 직접 접촉하여 로봇의 모든 자유도를 직관적으로 간단하게 바꾸어서 로봇을 티칭하거나 간단하게 양쪽으로 밀 수도 있다. 작업 공간 모니터링 시스템은 세 쌍의 스테레오 카메라를 이용하는 깊이 이미지 센서로 구성된다. 이 시스템은 TCP에서 공구의 움직임을 파악하고, 인간과 충돌이 발생하면 안 되는 영역 주위에만 가상의 보호 필드를 배치한다.

인간/로봇 작업장의 광학적 작업공간 모니터링

프로젝션 기술과 카메라 기술을 기반으로 하는 광학식 작업공간 모니터링 시스템은 비주얼라이제이션 모듈, 작업자 어시스턴트 모듈 그리고 상호 작용 모듈을 보완한다.

EU 프로젝트 „FourByThree“에서는 프라운호퍼 IFF의 특허 받은 기술을 최종 사용자가 네 명인 산업 현장 시나리오에서 인간/로봇 협업 작업장을 광학적으로 모니터링하는 데에 이용하였다. 이를 위해 프로젝터 기술과 카메라 기술에 기반하는 이 시스템을 최적화하고, 다양한 환경에서도 사용할 수 있어야 하고 기능상 안전해야 한다는 요구 조건을 충족하기 위해 소프트웨어도 확장하였다. 또 다른 측면에서는 각기 다른 인간/로봇 협업 작업장에 맞추어 조정 가능하고 유연해야 한다는 점도 요구되었으며, 이를 바탕으로 모듈식으로 확장 가능한 프로젝터/카메라 유닛을 개발하였다. 이 유닛은 간단하게 각각의 시나리오에 따른 요건에 맞추어 조정할 수 있다. 안전을 보장하는 것 외에 이 기술은 비주얼라이제이션 시스템, 작업자 어시스턴트 시스템 그리고 상호작용 시스템으로도 사용하며, 따라서 작업자에게 정보를 표시하고, 작업을 지원하며 로봇과의 직관적 의사소통을 할 수 있는 다양한 방법을 작업자에게 제공해야 한다.

어시스턴트 로보틱스는 현재 제조 산업에서 길을 찾고 있다. 이동식 어시스턴트 로봇은 당분간 시연과 테스트 목적으로 산업계에서 이용될 것이다. 고정식 산업용 로봇을 이용한 최초의 적용 사례들은 이미 실현되고 있다. 가까운 미래에 인간/로봇 협업은 산업 현장에서 일상적인 것이 될 것이다. 하지만 다양한 환경에서 다양한 활동으로 인간을 보조하는 이동식 어시스턴트 로봇을 향해 가는 길은 연구 작업을 통해 계속 개선해 나가야 한다.